WO2020184612A1 - 発電システム - Google Patents

Abstract

液体アンモニアを気化させてアンモニア蒸気を生成し、アンモニア蒸気を燃料として燃焼させることにより電力を発生させる発電システムであって、液体アンモニアを貯留するタンク（７）と、液体アンモニアを所定の熱交換器で海水と熱交換させてアンモニア蒸気を発生させる気化器（１０）と、アンモニア蒸気を燃焼させることにより動力を発生する動力発生装置（１）と、動力発生装置（１）によって駆動される発電機（３）とを備える発電システム。

Description

発電システム

　本開示は、発電システムに関する。
　本願は、２０１９年３月１１日に、日本に出願された特願２０１９－０４４０７４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　下記特許文献１には、アンモニア供給部から出力される液体の燃料用アンモニアを気化器で気化させて燃焼器に供給する燃焼装置及びガスタービンエンジンシステムが開示されている。このようなガスタービンエンジンシステムによれば、燃焼用空気の冷却に用いる水の量を削減しかつ燃料用アンモニアを気化させるために使用するエネルギ量を削減することが可能である。

日本国特開２０１８－１６２７５１号公報

　ところで、上記特許文献１には熱源が明示されていないが、ガスタービンエンジンシステムではシステム内の熱源を用いて液体アンモニアを気化させるので、システム全体として見た場合の熱効率が低下する。このようなシステム全体としての熱効率の低下は、システム効率の面で改善すべき課題である。

　本開示は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、システム効率を従来よりも向上させることが可能な発電システムの提供を目的とするものである。

　上記目的を達成するために、本開示では、発電システムに係る第１の態様として、液体アンモニアを気化させてアンモニア蒸気を生成し、当該アンモニア蒸気を燃料として燃焼させることにより電力を発生させる発電システムであって、前記液体アンモニアを貯留するタンクと、前記液体アンモニアを所定の熱交換器で海水と熱交換させて前記アンモニア蒸気を発生させる気化器と、前記アンモニア蒸気を燃焼させることにより動力を発生する動力発生装置と、該動力発生装置によって駆動される発電機と、を備える、発電システムを採用する。

　本開示では、発電システムに係る第２の態様として、上記第１の態様において、前記アンモニア蒸気に含まれるアンモニアミストを除去するミスト除去装置をさらに備えてもよい。

　本開示では、発電システムに係る第３の態様として、上記第２の態様において、前記動力発生装置は、ボイラと、ボイラから供給される水蒸気によって動力を発生する蒸気タービンと、を備え、前記ミスト除去装置は、前記蒸気タービンの排蒸気と前記アンモニア蒸気とを熱交換させて前記アンモニア蒸気を加熱することにより前記アンモニアミストを気化させてもよい。

　本開示では、発電システムに係る第４の態様として、上記第３の態様において、前記海水と熱交換させて前記排蒸気を復水させる復水器をさらに備えてもよく、前記復水器によって加熱された加熱海水を前記気化器に供給して前記液体アンモニアと熱交換させてもよい。

　本開示では、発電システムに係る第５の態様として、上記第１～第４のいずれかの態様において、所定の吸着剤を用いることにより前記液体アンモニアに脱水処理を施す脱水器をさらに備えてもよい。

　本開示では、発電システムに係る第６の態様として、上記第１～第５のいずれかの態様において、前記動力発生装置に主燃料を供給する主燃料供給装置をさらに備え、前記気化器は、前記アンモニア蒸気を副燃料として前記動力発生装置に供給してもよい。

　本開示によれば、システム効率を従来よりも向上させることが可能な発電システムを提供することが可能である。

本開示の第１実施形態に係る発電システムの構成を示すブロック図である。 本開示の第２実施形態に係る発電システムの構成を示すブロック図である。

　以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。

　（第１実施形態）
　最初に、第１実施形態に係る発電システムについて説明する。この発電システムは、図１に示すように、ボイラ１、蒸気タービン２、発電機３、復水器４、循環ポンプ５、海水ポンプ６、タンク７、アンモニアポンプ８、脱水器９、第１気化器１０、燃料調節弁１１及び主燃料供給装置１２を備えている。

　ボイラ１は、主燃料供給装置１２から供給される主燃料Ｘ１、及び第１気化器１０から供給されるアンモニア蒸気Ｘ２（副燃料）を燃焼させることにより、水Ｘ３を気化させて水蒸気Ｘ４を生成する蒸気生成装置である。このボイラ１は、主燃料用バーナと副燃料用バーナを備えており、所定の比率で主燃料Ｘ１とアンモニア蒸気Ｘ２（副燃料）とを燃焼させる。このようなボイラ１は、自らが生成した水蒸気Ｘ４を駆動流体として蒸気タービン２に供給する。

　蒸気タービン２は、水蒸気Ｘ４（駆動流体）の運動エネルギを用いて回転動力を発生させる原動機である。この蒸気タービン２は、羽根車に吹き付けられる水蒸気Ｘ４によって羽根車の回転軸（つまり、蒸気タービン２の出力軸）周りに回転動力を発生させると共に、動力回収後の水蒸気Ｘ４を排蒸気Ｘ５として復水器４に排出する。なお、上述したボイラ１及び蒸気タービン２は、本開示における動力発生装置を構成している。

　発電機３は、図示するように自らの回転軸が蒸気タービン２の出力軸に軸結合しており、蒸気タービン２によって回転駆動されることによって交流電力を発生させる。すなわち、この発電機３は、ステータとロータとを備え、ロータが蒸気タービン２によって回転駆動されて生じる電磁誘導によってステータに起電力を発生させる。

　復水器４は、上記排蒸気Ｘ５を海水Ｘ６を用いて凝縮（復水）させる一種の熱交換器である。すなわち、復水器４は、例えば１００℃近傍の排蒸気Ｘ５と、海水温に近い温度（つまり、排蒸気Ｘ５よりも大幅に低い温度）の海水Ｘ６とを熱交換させることにより、海水Ｘ６を昇温させて加熱海水Ｘ７を生成すると共に排蒸気Ｘ５を水Ｘ３に相変換させる。

　循環ポンプ５は、上記水Ｘ３をボイラ１に供給する。すなわち、循環ポンプ５は、水Ｘ３を水蒸気Ｘ４に相変化させつつボイラ１、蒸気タービン２及び復水器４の間で循環させるための動力源である。なお、上記循環によって水量（循環量）が徐々に減少するので、発電システムには不足量をボイラ１に給水する給水ポンプ（図示略）が別途備えられている。

　タンク７は、一定量の液体アンモニアＸ８を貯留する大型容器である。このタンク７は、アンモニアポンプ８の回転数に応じた流量の液体アンモニアＸ８をアンモニアポンプ８に供給する。アンモニアポンプ８は、タンク７から液体アンモニアＸ８を汲み出して第１気化器９に供給する。すなわち、アンモニアポンプ８は、液体アンモニアＸ８の脱水器９への供給量を調節するポンプである。

　脱水器９は、液体アンモニアＸ８に脱水処理を施す装置である。すなわち、この脱水器９は、内部に水分吸着性を有する所定の吸着剤（例えば、粒状の活性炭など）が収容されており、液体アンモニアＸ８を通過させることにより水分を吸着する。このような脱水器９は、水分を除去あるいは低減させた脱水アンモニアＸ９を第１気化器１０に供給する。

　第１気化器１０は、脱水器９から供給される脱水アンモニアＸ９を復水器４から供給される加熱海水Ｘ７を用いて気化させてアンモニア蒸気Ｘ２（副燃料）を生成するアンモニア気化器である。すなわち、この第１気化器１０は、脱水アンモニアＸ９を加熱海水Ｘ７と熱交換させることによりアンモニア蒸気Ｘ２に相変換させる。

　このような第１気化器１０について、加熱海水Ｘ７に含まれる異物が内部に蓄積することを防ぐため、加熱海水Ｘ７の流速を十分に確保する必要がある。このような事情から第１気化器１０には、シェルアンドチューブ型の熱交換器を採用することが好ましい。

　また、この場合にはチューブ側に加熱海水Ｘ７を流通させ、シェル側に脱水アンモニアＸ９を流通させる。さらに、第１気化器１０におけるチューブ側の材料としては、耐食性の高い金属（例えばチタン）を採用することが好ましい。このような第１気化器１０は、アンモニア蒸気Ｘ２を燃料調節弁１１に供給する。なお、第１気化器１０は、本開示における気化器に相当する。

　燃料調節弁１１は、副燃料であるアンモニア蒸気Ｘ２のボイラ１への供給量を最終的に調節する流量調整弁である。すなわち、この燃料調節弁１１は、弁体の開度を調節することにより第１気化器１０から供給されたアンモニア蒸気Ｘ２の通過流量を調節する。

　主燃料供給装置１２は、所定量の主燃料Ｘ１をボイラ１に供給する燃料供給装置である。すなわち、この主燃料供給装置１２は、ボイラ１に備えられた主燃料用バーナに所定流量の主燃料Ｘ１を供給する。なお、上記主燃料Ｘ１は、石炭あるいは天然ガスである。

　次に、第１実施形態に係る発電システムの動作について詳しく説明する。
　この発電システムでは、ボイラ１において、主燃料供給装置１２から供給された主燃料Ｘ１と、燃料調節弁１１を介して第１気化器１０から供給されたアンモニア蒸気Ｘ２（副燃料）とが燃焼することにより、高圧の水蒸気Ｘ４が発生する。

　そして、この水蒸気Ｘ４が蒸気タービン２に供給されることによって回転動力を発生させ、この回転動力によって発電機３が駆動されることによって電力（交流電力）が発生する。そして、この電力は、発電システムの出力として需要設備に供給される。

　そして、蒸気タービン２で動力回収された水蒸気Ｘ４は、排蒸気Ｘ５として蒸気タービン２から復水器４に排出される。そして、この排蒸気Ｘ５は、海水ポンプ６から復水器４に別途供給される海水Ｘ６と熱交換されることにより、凝縮（復水）して水Ｘ３となる。すなわち、排蒸気Ｘ５は、海水Ｘ６によって冷却されることにより相変化し、気体から液体になる。そして、この水Ｘ３は、循環ポンプ５によってボイラ１に循環供給される。

　また、復水器４では海水Ｘ６が排蒸気Ｘ５との熱交換によって加熱されて加熱海水Ｘ７となり、加熱海水Ｘ７が第１気化器１０に供給される。一方、アンモニアポンプ８によってタンク７から脱水器９に供給された液体アンモニアX８は、脱水器９で水分が除去された脱水アンモニアＸ９となって、脱水アンモニアＸ９が第１気化器１０に供給される。そして、第１気化器１０では、脱水アンモニアＸ９が加熱海水Ｘ７によって加熱されて気化しアンモニア蒸気Ｘ２（副燃料）となる。このアンモニア蒸気Ｘ２の流量は、燃料調節弁１１によって調節されてボイラ１に供給される。

　このような第１実施形態によれば、発電システムの外界から取り入れた海水Ｘ６を用いて液体アンモニアＸ８を気化させてアンモニア蒸気Ｘ２を生成する。そのため、発電システム内で生成した熱を用いて液体アンモニアを気化させる従来技術よりもシステム効率を向上させることが可能である。

（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係る発電システムについて説明する。この発電システムは、図２に示すように、ボイラ１、蒸気タービン２、発電機３、復水器４、循環ポンプ５、海水ポンプ６、タンク７、アンモニアポンプ８、脱水器９、第１気化器１０、燃料調節弁１１、主燃料供給装置１２、第２気化器１３及び蒸気調節弁１４を備えている。すなわち、この発電システムは、第１実施形態に係る発電システムに第２気化器１３及び蒸気調節弁１４を付加した構成を備える。

　第２気化器１３は、アンモニア蒸気Ｘ２に含まれるアンモニアミストを除去するミスト除去装置である。すなわち、この第２気化器１３は、第１気化器１０から供給されたアンモニア蒸気Ｘ２を、蒸気調節弁１４を介して蒸気タービン２から供給された排蒸気Ｘ５と熱交換させることにより加熱する。これにより、第２気化器１３は、アンモニアミスト（液体成分）が除去あるいは低減された乾燥アンモニア蒸気Ｘ１０を生成する。

　このような第２気化器１３は、排蒸気Ｘ５による加熱によってアンモニアミストが気化してアンモニア蒸気Ｘ２から除去されて得られた乾燥アンモニア蒸気Ｘ１０を燃料調節弁１１に出力する。また、第２気化器１３は、排蒸気Ｘ５がアンモニア蒸気Ｘ２との熱交換によって低温化されて得られた低温排蒸気Ｘ１１を復水器４に出力する。なお、この低温排蒸気Ｘ１１は、復水器４において排蒸気Ｘ５と同様に復水される。

　ここで、上記アンモニアミストは、第１気化器１０において蒸発しきれなかった液体アンモニアＸ８の微細粒子、あるいは／及び、第１気化器１０とボイラ１とを接続する配管中でアンモニア蒸気Ｘ２の一部が配管の途中で冷却されて局所的に凝縮した液体アンモニアＸ８の微細粒子であり、アンモニア蒸気Ｘ２中に浮遊するものである。

　第２実施形態における第２気化器１３は、このようなアンモニアミストの性質から、第１気化器１０とボイラ１とを接続する配管においてボイラ１に極力近い位置に設けることが、好ましい。このような第２気化器１３、蒸気調節弁１４、及び第１気化器１０は、本開示における気化器を構成している。

　また、このような第２気化器１３にも、上述した第１気化器１０と同様にシェルアンドチューブ型の熱交換器を採用することが、好ましい。この場合、チューブ側にアンモニア蒸気Ｘ２を流通させ、シェル側に排蒸気Ｘ５を流通させる。

　ただし、第２気化器１３については、排蒸気Ｘ５の温度が比較的高い場合に壁面で膜沸騰が発生してアンモニア蒸気Ｘ２と排蒸気Ｘ５との熱交換が阻害される可能性がある。このような事情から、アンモニア蒸気Ｘ２と排蒸気Ｘ５との熱交換だけでなく、中間熱媒体として温水を使用し、温水と排蒸気Ｘ５との熱交換、また温水とアンモニア蒸気Ｘ２との熱交換という２台の熱交換器（シェルアンドチューブ型熱交換器）を採用することが考えられる。すなわち、第２気化器１３は、アンモニア蒸気Ｘ２と排蒸気Ｘ５との熱交換だけを行うために１台の熱交換器（シェルアンドチューブ型熱交換器）を採用するのではなく、温水（中間熱媒体）と排蒸気Ｘ５との熱交換と、温水（中間熱媒体）とアンモニア蒸気Ｘ２との熱交換とを行うために２台の熱交換器（シェルアンドチューブ型熱交換器）を採用してもよい。

　このような２台のシェルアンドチューブ型熱交換器を採用する場合、１台目のシェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ側にアンモニア蒸気Ｘ２を流通させ、シェル側に温水を流通させる。また、２台目のシェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ側に温水を流通させ、シェル側に排蒸気Ｘ５を流通させる。

　蒸気調節弁１４は、排蒸気Ｘ５の第２気化器１３への供給量を調節する流量調節弁である。すなわち、この蒸気調節弁１４は、蒸気タービン２と第２気化器１３とを接続する配管に設けられており、弁体の開口度を可変することにより蒸気タービン２から第２気化器１３に流通する排蒸気Ｘ５の通過流量を調節する。このような蒸気調節弁１４は、アンモニア蒸気Ｘ２中のアンモニアミストの気化に最適な流量の排蒸気Ｘ５を第２気化器１３に供給する。

　このような第２実施形態によれば、システム効率を従来よりも向上させることが可能であると共に、アンモニア蒸気Ｘ２に含まれるアンモニアミストを十分に除去することが可能である。これにより、ボイラ１におけるアンモニア蒸気Ｘ２の燃焼効率を向上させることが可能である。

　なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、加熱海水Ｘ７を用いてアンモニア蒸気Ｘ２を生成したが、本開示はこれに限定されない。すなわち、アンモニアの沸点は約－３３℃であり、一般的な海水の温度よりも大幅に低い。したがって、加熱海水Ｘ７に代えて、海から取水した海水をそのまま用いて脱水アンモニアＸ９を気化させてもよい。あるいは、加熱海水Ｘ７と海から取水した海水とを併せて用いて脱水アンモニアＸ９を気化させてもよい。

（２）上記各実施形態では、ボイラ１及び蒸気タービン２によって本開示の動力発生装置を構成したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ボイラ１及び蒸気タービン２に代えてガスタービンを動力発生装置とし、ガスタービンの排ガスを熱源として加熱海水Ｘ７を生成したり、アンモニアミストを除去してもよい。

（３）上記各実施形態では、排蒸気Ｘ５の排熱を復水器４で回収して加熱海水Ｘ７を生成するが、本開示はこれに限定されない。すなわち、加熱海水Ｘ７を生成するための熱源は、発電システム内の排熱であればよく、また当該排熱を回収するための装置は復水器４とは個別に設けられた熱交換器でも良い。

（４）上記各実施形態では、脱水器９を設けたが、本開示はこれに限定されない。例えば、液体アンモニアＸ８の含水率が十分に低い場合には、脱水器９を設置しなくてもよい。　

　本開示によれば、システム効率を従来よりも向上させることが可能な発電システムを提供することが可能である。

　１　ボイラ（動力発生装置）
　２　蒸気タービン（動力発生装置）
　３　発電機
　４　復水器
　５　循環ポンプ
　６　海水ポンプ
　７　タンク
　８　アンモニアポンプ
　９　脱水器
　１０　第１気化器
　１１　燃料調節弁
　１２　主燃料供給装置
　１３　第２気化器
　１４　蒸気調節弁

Claims (6)

1. 　液体アンモニアを気化させてアンモニア蒸気を生成し、前記アンモニア蒸気を燃料として燃焼させることにより電力を発生させる発電システムであって、
   　前記液体アンモニアを貯留するタンクと、
   　前記液体アンモニアを所定の熱交換器で海水と熱交換させて前記アンモニア蒸気を発生させる気化器と、
   　前記アンモニア蒸気を燃焼させることにより動力を発生する動力発生装置と、
   　前記動力発生装置によって駆動される発電機と、
   を備える発電システム。
2. 　前記アンモニア蒸気に含まれるアンモニアミストを除去するミスト除去装置をさらに備える請求項１に記載の発電システム。
3. 　前記動力発生装置は、
   　ボイラと、
   　ボイラから供給される水蒸気によって動力を発生する蒸気タービンと、
   を備え、
   　前記ミスト除去装置は、前記蒸気タービンの排蒸気と前記アンモニア蒸気とを熱交換させて前記アンモニア蒸気を加熱することにより、前記アンモニアミストを気化させる請求項２に記載の発電システム。
4. 　前記海水と熱交換させて前記排蒸気を復水させる復水器をさらに備え、
   　前記復水器によって加熱された加熱海水を前記気化器に供給して前記液体アンモニアと熱交換させる請求項３に記載の発電システム。
5. 　所定の吸着剤を用いることにより前記液体アンモニアに脱水処理を施す脱水器をさらに備える請求項１～４のいずれか一項に記載の発電システム。
6. 　前記動力発生装置に主燃料を供給する主燃料供給装置をさらに備え、
   　前記気化器は、前記アンモニア蒸気を副燃料として前記動力発生装置に供給する請求項１～５のいずれか一項に記載の発電システム。
   　

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